黄云辉/袁利霞/许恒辉AM：构建实用的锂离子电池高压正极材料

长期以来，开发高能量密度锂离子电池(LIBs)以满足不断增长的电动汽车市场的需求一直是全球当务之急。提高LIBs能量密度最有效的策略之一是提高输出电压，这在很大程度上取决于正极材料。作为最有前景的高压LIBs正极（> 4 V vs Li/Li⁺），富锂层状氧化物、富镍层状氧化物、尖晶石氧化物和高压聚阴离子化合物四大类正极仍面临的严峻考验是在保持高容量、快速倍率能力和长使用寿命的同时实现输出电压的提高。

华中科技大学黄云辉、袁利霞、许恒辉等重点介绍了高压正极材料从实验室到工业化发展的关键环节。首先，阐明了四种材料的失效机理，重点关注了优化策略，特别是易于规模化生产的解决方案。然后，为了弥合实验室和工业之间的差距，还讨论了电池技术的成本管理、安全评估、实际电池性能评估和可持续性。最后，总结了高压正极材料商业化面临的严峻挑战和有希望的策略，以促进高能量密度LIBs的大规模应用。

图1 采用各种正极和负极组合的LIBs的性能评估

人们普遍认为，LIBs的能量密度需要达到300 Wh kg^-1左右，甚至单电池级需要达到350 Wh k^g-1，才能满足电动汽车、智能电网等领域的需求。现在富镍层状氧化物Li[Ni_1-x-yCo_xMn_y]O₂（充电电压<4.5 V）已经成功商业化，并逐步应用于电动汽车。如果充电电压可以提高到4.5 V或更高，能量密度将进一步提高。

与石墨-硅负极配对时，高压LIBs的电池级能量密度可达到350 Wh kg^-1，如果用锂金属替代负极，有望进一步提升至500 Wh kg^-1。然而，高压正极材料的稳定性不如传统正极材料（LiCoO₂、LiFePO₄）。因此，需要深入研究高压正极材料的失效机理，并需要相应的有效优化策略。同时，电池安全性评估和废旧电池回收利用技术也亟待实现，以实现锂离子电池的可持续发展。

图2 表面涂层策略

目前，高压正极材料的商业化仍面临以下挑战：

（1）失效机理分析。高压正极的循环稳定性不如传统正极材料，这主要归因于高压正极材料的降解和正极/电解质界面处电解质的分解。

（2）电化学性能的总体评价。据报道，通过表面涂层、元素掺杂和电解质优化等策略可以显著提高高压正极材料的电化学性能。尽管如此，测试参数，如电解液量和面容量负载变化，与行业要求相去甚远。一般来说，报道的面容量在5 C倍率下低于1 mAh cm^-2和5 mA cm^-2，远低于实际LIBs（5 C下，~ 4 mAh cm^-2 和20 mA cm^-2）。此外，电解液的用量应控制在3 g Ah^-1以下，以达到350 Wh kg^-1的高能量密度。此外，值得注意的是，LIBs的运行条件在实际应用中是复杂多变的。

（3）优化电池安全标准。为在电动汽车中使用，高压LIBs面临着安全问题，这是最大的问题之一。正极材料和电解液在高压下的稳定性有待大幅度提高。此外，高压电池在机械滥用、电气滥用和热滥用下的热失控机制有待进一步研究。同时，还需要制定相关的电池安全测试标准，如挤压测试、过充测试、短路测试、穿刺测试等。除了工作安全外，电池制造的安全性也应受到更多关注。

（4）构建LIBs的闭环循环利用。由于钴、锂、镍等金属资源的稀缺性，如何实现电池的二次生命应用并高效回收废旧电池是实现电池产业可持续发展的关键。

图3 用于高压LIBs的可持续发展的闭环电池生命周期

Building Practical High-voltage Cathode Materials for Lithium-ion Batteries. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202200912

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黄云辉/袁利霞/许恒辉AM：构建实用的锂离子电池高压正极材料

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